Lumière et optique géométrique

Exercice 1 — Sources de lumière et propagation (4 pts)
1. Source primaire et source secondaire (2 pts)

• Source primaire : le Soleil (ou une flamme, une ampoule allumée, une étoile). Une source primaire produit elle-même de la lumière grâce à une réaction chimique ou nucléaire.
• Source secondaire : la Lune (ou un miroir, une feuille de papier). Une source secondaire ne produit pas de lumière : elle renvoie (réfléchit) la lumière qu'elle reçoit d'une source primaire.
• Différence fondamentale : une source primaire émet de la lumière ; une source secondaire ne fait que la diffuser ou la réfléchir.

2. On ne voit pas derrière un mur (1 pt)
La lumière ne peut pas contourner le mur car, dans un milieu homogène et transparent comme l'air, elle se propage en ligne droite. Un mur opaque bloque les rayons lumineux. Ce principe s'appelle la propagation rectiligne de la lumière.

3. Calcul de durée (1 pt)
On utilise la relation : t = d / v
→ t = 600 000 km ÷ 300 000 km/s
→ t = 2 s
La lumière met 2 secondes pour parcourir 600 000 km.

Exercice 2 — Ombres et réflexion (4 pts)
1. Ombre propre et ombre portée (2 pts)

• Ombre propre : zone sombre sur l'objet lui-même, là où la lumière n'atteint pas directement.
  Exemple : le côté d'un ballon opposé au Soleil est dans son ombre propre.
• Ombre portée : zone sombre projetée par l'objet sur un autre support (sol, écran, mur).
  Exemple : l'ombre d'un arbre sur le sol est une ombre portée.

2. Angle de réflexion (i = 50°) (1 pt)
D'après la loi de la réflexion : l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence.
→ r = i = 50°
Schéma : tracer la surface du miroir (trait horizontal), la normale (trait vertical pointillé), le rayon incident à 50° de la normale d'un côté, et le rayon réfléchi à 50° de la normale de l'autre côté.

3. Surface rugueuse vs miroir (1 pt)
Un miroir a une surface parfaitement lisse et plane : il réfléchit les rayons de façon ordonnée (réflexion spéculaire), ce qui crée un reflet net.
Un mur blanc a une surface rugueuse : il diffuse la lumière dans toutes les directions (réflexion diffuse). Les rayons sont renvoyés en désordre, donc il n'y a pas de reflet net.

Exercice 3 — Réfraction (4 pts)
1. Rayon passant de l'air dans l'eau (angle d'incidence 40°) (2 pts)
L'angle réfracté est inférieur à 40°.
Justification : En passant de l'air (milieu moins dense) à l'eau (milieu plus dense), la lumière ralentit (225 000 km/s au lieu de 300 000 km/s). Ce changement de vitesse provoque une déviation : le rayon se rapproche de la normale, donc l'angle réfracté est plus petit que l'angle d'incidence.

2. Le plongeur et la bouée (1 pt)
Non, la bouée ne lui semble pas à sa position réelle.
Les rayons lumineux venant de la bouée sont déviés (réfractés) à la surface eau-air lorsqu'ils pénètrent dans l'eau. Le plongeur perçoit la bouée dans la direction apparente des rayons qu'il reçoit, et non dans sa direction réelle : la bouée lui semble donc décalée (déplacée vers le haut).

3. Phénomène naturel illustrant la réfraction atmosphérique (1 pt)
Exemples acceptés :

• Les mirages dans le désert (l'air chaud près du sol réfracte la lumière vers le haut, donnant l'illusion d'une étendue d'eau).
• L'apparition du Soleil avant son lever réel : la réfraction atmosphérique courbe les rayons du Soleil, le rendant visible quelques minutes avant qu'il soit géométriquement au-dessus de l'horizon.
• L'arc-en-ciel (réfraction + dispersion dans les gouttes d'eau).

Exercice 4 — Lentilles et formation d'images (5 pts)
1. Foyer image F' et distance focale (2 pts)
Définition du foyer image F' : le foyer image F' est le point situé sur l'axe optique de l'autre côté de la lentille où convergent tous les rayons lumineux arrivant parallèlement à l'axe optique avant la lentille convergente.

Lien entre distance focale et puissance :

• La distance focale f' est la distance entre le centre optique O et le foyer image F'.
• Plus la distance focale est courte, plus la lentille est puissante (elle dévie davantage les rayons).
• La vergence (puissance en dioptries) est l'inverse de la distance focale : V = 1/f' (f' en mètres).

2. Position et nature de l'image (objet à 8 cm, f' = 5 cm) (2 pts)
Repères : F = 5 cm, 2F = 10 cm.
L'objet est à 8 cm, donc entre F (5 cm) et 2F (10 cm).
→ L'image est réelle et renversée, et agrandie (car l'objet est entre F et 2F de la lentille convergente).

3. Exemple d'appareil formant une image réelle (1 pt)
Exemples acceptés : appareil photo (numérique ou argentique), projecteur de cinéma ou de diaporama, télescope, œil humain (le cristallin forme une image réelle sur la rétine).

Exercice 5 — Décomposition de la lumière (3 pts)
1. Dispersion de la lumière blanche (1 pt)
La dispersion est la séparation de la lumière blanche en ses différentes couleurs constitutives (spectre coloré). Elle se produit lorsque la lumière traverse un milieu qui réfracte différemment chaque couleur (chaque longueur d'onde).
En laboratoire, on utilise un prisme (ou un réseau de diffraction) pour observer la dispersion.

2. Couleurs du spectre dans l'ordre (du moins au plus dévié) (1 pt)
Du moins dévié au plus dévié par le prisme :
Rouge — Orange — Jaune — Vert — Bleu — Indigo — Violet
(Moyen mnémotechnique : ROJaVeBIV)

3. T-shirt bleu éclairé en lumière rouge (1 pt)
Le t-shirt paraît noir.
Justification : Un t-shirt bleu absorbe toutes les couleurs sauf le bleu, qu'il réfléchit. Or la seule lumière disponible est la lumière rouge. Le t-shirt absorbe la lumière rouge et ne réfléchit rien vers l'œil : il paraît donc noir (absence de lumière réfléchie).